Краткий ответ:Лазерная наплавка сверл PDC — это контролируемый процесс восстановления поверхности, используемый для восстановления изношенных опорных площадок, участков лезвий и других зон износа на корпусах сверл PDC. Сфокусированный лазер расплавляет подложку и износостойкий порошок сплава, образуя металлургически связанное покрытие с низким разбавлением и строго контролируемым тепловым воздействием. Это делает его особенно полезным там, где важна точность размеров и контроль температуры, в том числе в зонах вблизи углублений для режущих кромок сверл PDC. Для больших, менее чувствительных к нагреву зон износа более продуктивной альтернативой может быть наплавка PTA.

Почему корпуса буровых долот PDC выходят из строя раньше, чем режущие кромки?

Долота из поликристаллического алмаза (PDC) ценятся за высокую скорость проходки в сланцевых, известняковых и песчаниковых формациях. Часть долот из PDC изымается и утилизируется до того, как алмазные резцы достигнут конца своего срока службы, поскольку...Стальной или матричный корпус утратил толщину, или лопасти подверглись чрезмерной эрозии.до такой степени, что сверло больше не может удерживать диаметр отверстия или защищать режущие кромки от ударных нагрузок.

Типичные виды износа и повреждения корпуса долота PDC в полевых условиях:

• Износ измерительного прибора— Внешний диаметр измерительных пластин изнашивается из-за постоянного контакта со стенкой скважины, что приводит к образованию отверстий меньшего диаметра и проблемам с контролем направления бурения.
•Эрозионный износ от бурового раствора— Высокоскоростной буровой раствор, насыщенный буровым шламом, истирает поверхности лопаток, зоны сопел и засоряющие щели, особенно при высоких расходах или в условиях наличия песка.
•Локализованный износ вблизи карманов для режущего инструмента.— Зона, непосредственно окружающая каждый резец PDC, может стать критической зоной, где эрозия постепенно уменьшает количество материала, поддерживающего углубление для резца, иногда даже в то время, когда сам резец еще пригоден к использованию.

Как только геометрия корпуса нарушается, долото становится не подлежащим ремонту, даже если большинство алмазных резцов все еще пригодны к использованию — это дорогостоящий результат, учитывая затраты на одно долото с алмазным покрытием. Это основная экономическая причина, по которой производители долот и ремонтные мастерские инвестируют в упрочнение поверхности, а не в утилизацию изношенных корпусов.

Проблемы износа долот PDC: краткий обзор

Проблема с битом PDC	Объектив для нанесения твердого покрытия	Основные аспекты процесса
Износ измерительного прибора	Восстановить/поддержать диаметр калибра	Лазерная реставрация для локализованных/жестких реставраций; чрескожная ангиопластика для наращивания больших площадей, где чувствительность к теплу ниже.
эрозия верхней части лезвия	Восстановить износостойкий профиль	Метод PTA обычно более эффективен по всей длине лезвия.
Износ в области кармана для резака	Защитите опору режущего инструмента, не нарушая припойное соединение.	Предпочтительнее лазерная резка — решающим фактором является контроль температуры.
стирка рубашки	Восстановить изношенную поверхность, геометрию неисправных пазов.	PTA часто подходит, так как менее чувствителен к теплу.
Локализованные очаги эрозии	Точная замена материалов в малых объемах.	Лазерная наплавка
Корпус, изготовленный из материалов меньшей толщины и обладающий прочной конструкцией.	Полная реставрация измерительных приборов в соответствии со спецификациями.	Лазерная или ПТА-терапия в зависимости от требуемой толщины наращивания.

Упрочнение поверхности, облицовка, покрытие и наплавка: в чем разница для PDC-бит?

В практической работе эти термины используются довольно свободно, и их путаница может привести к неправильному описанию процесса. В работе по ремонту битов PDC эти различия имеют значение:

Срок	Что это значит	Актуальность для PDC Bits
Упрочнение поверхности	Общий термин, используемый для обозначения нанесения износостойкого поверхностного покрытия; при ремонте долот PDC он обычно относится к процессам наплавки, таким как PTA или лазерная наплавка.	Общий термин, применяемый к работам с измерительными подушками, лезвиями и задней частью рубашки.
Облицовка	Упрочняющее покрытие, образующее прочную металлургическую связь с основным металлом.	В результате процессов PTA и лазерной обработки слой не просто механически соединяется, а сплавляется.
Наплавка сварного шва	Другой термин для обозначения того же металлургически связанного отложения, более распространенный в контексте сосудов под давлением и трубопроводов.	По функциональности то же самое, что и облицовка для буровых долот PDC; этот термин чаще используется за пределами буровой отрасли.
Термонапыляемое покрытие	Напыляемый металлический или керамический слой с преимущественно механической, а не металлургической связью.	Редко используется на изнашиваемых поверхностях буровых долот PDC — прочность сцепления, как правило, недостаточна для ударной нагрузки, которой подвергается долото в скважине.
ПТА / лазерная наплавка	Указанные источники тепла, используемые для создания облицовочного слоя.	Выбор технологического процесса при облицовке — см. сравнение выше.

Практический вывод: при ремонте долот PDC термины «наплавка», «покрытие» и «сварное покрытие» часто используются для описания тесно связанных между собой износостойких покрытий, соединенных металлургическим способом, хотя в других отраслях или официальных спецификациях эти термины могут иметь другое значение. Если в спецификации упоминается термическое напыление или покрытие без сварки плавлением, это другой (и, как правило, менее подходящий) подход к ударным и абразивным нагрузкам, которым подвергается корпус долота PDC в процессе эксплуатации.

Почему лазерная наплавка хорошо подходит для упрочнения PDC-битных долот

В этом разделе рассматривается основная техническая причина, по которой лазерная наплавка подходит для ремонта долот методом PDC; в следующем разделе рассматривается практический вопрос о том, когда ее следует предпочесть методу PTA для данной зоны.

Наплавка (также называемая облицовкой или шлифованием) — это нанесение твердого износостойкого слоя сплава на основной компонент с помощью сварочного процесса. Для буровых долот PDC она применяется к:

1. Измерительные накладки— для поддержания диаметра отверстия на протяжении всего срока службы бурового долота.
2. Верхние части лопастей и передние кромки— для противодействия эрозии, вызванной жидкостью, содержащей буровой шлам.
3. Обрамление карманов для резки— зона, которую наиболее важно защитить, поскольку повреждения в этой зоне напрямую подрывают работу режущего инструмента.
4. Зоны для продажи одежды и товаров для дома.— для защиты от абразивного воздействия при стирке и ударах

Главное преимущество лазерной наплавки — контроль теплопередачи.И это очень точно соответствует тому, что на самом деле требуется для геометрии PDC-фрезы. Алмазный стол и паяное соединение, удерживающее каждую PDC-фрезу в гнезде, чувствительны к температуре — чрезмерный нагрев во время ремонта может ухудшить качество паяного соединения или, в более серьезных случаях, повлиять на сам алмазный стол. Плотная фокусировка энергии лазера и небольшая зона термического воздействия позволяют наносить покрытие гораздо ближе к границам гнезда фрезы при правильно контролируемых условиях процесса, уменьшая термическое воздействие на окружающую паяльную поверхность по сравнению с процессом дугового разряда с более высоким тепловым воздействием.

Помимо терморегулирования, лазерная наплавка также обеспечивает следующие преимущества:

• Очень низкое разведение— Минимальное перемешивание между наплавленным сплавом и основным металлом, что позволяет сохранить состав и твердость наплавленного сплава близкими к заданным параметрам.
•Точный контроль размеров— тонкие, прецизионные слои, обеспечивающие жесткие допуски по толщине без необходимости сложной механической обработки после нанесения покрытия.
•Возможность облицовки сложных, изогнутых геометрических форм.— Контуры измерительных площадок и профили лезвий, которые трудно равномерно получить при использовании более широкой дуги.

Такое сочетание — низкий подвод тепла вблизи чувствительных поверхностей режущего инструмента, низкое разбавление и точность обработки сложной геометрии — объясняет, почему лазерная наплавка может быть особенно привлекательна для дорогостоящих зон, где критически важны контроль температуры и точность размеров, даже несмотря на то, что это не единственный процесс, используемый при полной реставрации. Какие именно зоны действительно нуждаются в лазерной наплавке, по-прежнему зависит от материала корпуса конкретного сверла, существующих повреждений, системы пайки и требуемой толщины наплавленного слоя — это не универсальное правило.

Когда лазерная облицовка — правильный выбор, и когда облицовка PTA имеет больше смысла.

После обоснования технических аспектов, в этом разделе рассматривается вопрос закупки и выбора процесса: какие зоны на данном сверле действительно требуют лазерной обработки, а какие — обработки методом PTA. Выбор между ними не сводится к тому, какой процесс «более совершенен». Он зависит от того, насколько близко обрабатываемая деталь находится к алмазным резцам, насколько жесткими должны быть допуски по размерам и сколько сверл должно пройти через этот процесс.

Лазерная наплавка наиболее эффективна в следующих случаях:

• Зона нанесения покрытия находится вблизи углубления для режущего инструмента или зоны пайки, где необходимо минимизировать тепловое воздействие.
• Точность размеров имеет решающее значение, и следует избегать интенсивной механической обработки после наплавки.
• Покрытие должно быть тонким и точно контролируемым, а не толстым и объемным.
• Стоимость данной детали достаточно высока, чтобы оправдать более высокую себестоимость её обработки в расчете на одну деталь.

Нанесение покрытия методом плазменно-дуговой сварки (PTA) целесообразно в следующих случаях:

• Зона износа большая — по всему внешнему диаметру опорной площадки, по всей верхней части лезвия, по хвостовой части — и скорость нанесения материала имеет большее значение, чем высокая точность.
• Зона осаждения имеет достаточный зазор от углублений режущего инструмента, чтобы выдерживать более высокую температуру.
• Приоритетом является высокая производительность при обработке большого количества долот, а экономия порошка имеет значение при больших объемах производства.

На практике во многих ремонтных работах используются оба процесса на одном и том же сверле: лазерная наплавка для прецизионных зон вокруг режущих кромок и калибровочных кромок, а также наплавка методом PTA для более крупных, менее чувствительных к нагреву участков, таких как верхняя и нижняя части лезвия.

Общую инженерную основу этого решения — независимо от конкретных битов PDC — см. в нашем руководстве.Наплавка методом PTA против лазерной наплавки.

Биты PDC со стальным корпусом против битов с матричным корпусом: меняется ли стратегия облицовки?

В контексте стратегии нанесения упрочняющих покрытий эти два типа материалов не взаимозаменяемы, и это особенно важно для лазерной наплавки, где тепловое воздействие вблизи границы раздела с подложкой является частью общей ценности этого процесса.

Стальные деталиИзготавливаются из легированной стали. Основными проблемами являются износ, эрозия лезвия и смыв хвостовой части. Стальные подложки, как правило, обеспечивают более традиционную металлургическую основу для ремонта с помощью сварки, хотя фактический технологический диапазон все еще необходимо установить для конкретного материала и геометрии долота. Стальные долота часто являются более простыми кандидатами для повторного ремонта с помощью сварки, в то время как ремонт с использованием матричных материалов требует более детальной оценки в каждом конкретном случае.

Матрично-телесные битыОни изготавливаются из матрицы карбида вольфрама, пропитанной связующим сплавом, что обеспечивает более высокую внутреннюю стойкость к эрозии, но принципиально иную металлургию. Лазерная наплавка на матричный материал по-прежнему требует осторожности: матрица имеет иное поведение при термическом расширении, чем наплавленный сплав, и в зависимости от конкретной конструкции долота, крепление резца и конструкция кармана могут отличаться от конструкций со стальным корпусом таким образом, что это влияет на управление теплом и напряжениями вблизи границы раздела. Связь между наплавленным слоем и подложкой матрицы необходимо оценивать иначе, чем связь стали со сталью — даже при изначально меньшем тепловом воздействии лазерной наплавки. Ремонтопригодность долот с матричным корпусом, как правило, более ограничена, и решения о наплавке следует принимать в каждом конкретном случае, а не в рамках стандартного этапа восстановления. Поэтому возможность ремонта должна определяться исходя из фактического состава матрицы, поврежденной геометрии, метода крепления резца и квалифицированной процедуры ремонта, а не только из типа корпуса.

Выбор сплава: подбирайте наплавку в соответствии с механизмом износа, а не только с формой образования.

Выбор сплава следует начинать с...преобладающий механизм износаЭто основано на конкретном участке и зоне, а не на общем предположении, что «чем сложнее, тем лучше».

Состояние износа	Предпочтительное направление наложения
Интенсивный абразивный износ (песок, шлам, частицы твердых пород)	Композит, армированный карбидом вольфрама, с мелкодисперсными частицами для лазерного осаждения.
Зоны, непосредственно прилегающие к карманам режущего инструмента.	Нанесение мелкодисперсного покрытия с тщательно контролируемым, минимальным подводом тепла.
Воздействие высоких температур (в турбинных или геотермальных установках)	Системы сплавов на основе кобальта
Коррозионная среда бурения (сероводород, углекислый газ, соленые пластовые жидкости)	Коррозионностойкий сплав на основе никеля
Большие, менее чувствительные к нагреву зоны износа (верхняя часть лезвия целиком, задняя часть лезвия).	Более крупный карбидный композит, часто лучше подходящий для скорости нанесения PTA.

Один важный момент, который следует подчеркнуть всем, кто задает параметры наложения:Не следует по умолчанию выбирать самый твердый, наиболее насыщенный карбидами слой только потому, что порода абразивна.Чрезмерное содержание карбидов увеличивает хрупкость покрытия, что может снизить его устойчивость к ударам и термическим циклам, которым фактически подвергается буровое долото PDC в скважине. Правильное покрытие должно обеспечивать баланс между износостойкостью и прочностью для конкретного сочетания абразивного воздействия и ударов, которым будет подвергаться долото, а не только износостойкость.

Здесь также важна степень разбавления, и это одно из подлинных преимуществ лазерной наплавки: поскольку процесс проходит с небольшим, контролируемым расплавленным слоем, в наплавленный слой попадает меньше основного металла — железа, чем при процессах с более высоким тепловым воздействием. Это позволяет сохранить химический состав сплава и твердость ближе к заданным параметрам, но не отменяет необходимости в строгой настройке параметров (мощность лазера, скорость подачи порошка, скорость перемещения), поскольку степень разбавления и качество соединения по-прежнему зависят от правильного соответствия этих параметров сплаву и геометрии.

Более подробную информацию о принципах подбора сплава наплавки в зависимости от характера отказа (не относящуюся конкретно к битам PDC) см. в [ссылка].Выберите подходящий сплав для наплавки, обеспечивающий защиту от износа..

Процесс лазерной наплавки PDC-битов: пошаговая инструкция

Последовательность действий, которая подтверждается на практике, следующая:осмотр → определение механизма износа → оценка геометрии и конструкции корпуса → выбор сплава → выбор процесса— а не наоборот. Выбор между лазерной обработкой и ПТА до осмотра, а затем попытка подогнать ремонт под этот выбор — одна из наиболее распространенных причин неудачного восстановления.

1. Проверка и анализ причин отказов— Определите, какие зоны (калибр, верхняя часть лезвия, окантовка режущего инструмента, задняя часть режущего инструмента) имеют износ и на какую глубину, и убедитесь, что гнезда режущего инструмента по-прежнему структурно целы, прежде чем приступать к переборке.
2. Проверка типа кузова и геометрии.— подтвердить стальную или матричную конструкцию корпуса и сопоставить геометрию лезвия, калибра и кармана режущего инструмента с износом, обнаруженным на шаге 1.
3. Подготовка поверхности— Очистить и, при необходимости, обработать изношенный участок до однородного профиля, чтобы обеспечить прочное сцепление облицовочного слоя.
4. Выбор сплава— Подберите химический состав наплавленного покрытия и размер частиц порошка в соответствии с преобладающим механизмом износа и требованиями к точности в конкретной зоне.
5. Выбор процесса— определить, какие зоны требуют точности лазерной наплавки, а какие можно обработать с помощью процесса с более высокой скоростью осаждения, такого как PTA, исходя из выбранной выше геометрии и сплава.
6. Планирование теплового режима вокруг режущих инструментов.— Даже при низком тепловом воздействии лазерной наплавки, перед началом нанесения покрытия необходимо определить контролируемую тепловую границу вблизи карманов резца PDC и паяных соединений. Этот шаг является важной частью защиты паяного соединения от чрезмерного теплового воздействия, и именно его чаще всего пропускают при спешном восстановлении.
7. Нанесение облицовочного слоя— Нанесение слоя сплава осуществляется контролируемыми проходами, с контролем степени разбавления и толщины слоя в соответствии с требуемой твердостью и допуском на размеры для заданной конструкции.